Den första hÄrddisken i vÀrlden, IBM RAMAC 305, som sÄg dagens ljus 1956, rymde bara 5 MB data, vÀgde 970 kg och var i storlek jÀmförbar med en industriell kylare. Moderna företagsflaggskepp kan stoltsera med kapacitet pÄ hela 20 TB. TÀnk pÄ detta: för 64 Är sedan, för att lagra sÄ mycket information, skulle det ha krÀvts över 4 miljoner RAMAC 305, och storleken pÄ datacentret som behövdes för att rymma dem skulle ha överstigit 9 kvadratkilometer, medan det idag skulle rÀcka med en liten lÄda som vÀger omkring 700 gram! Mycket av den otroliga ökningen av lagringstÀtheten har uppnÄtts genom förbÀttringar av magnetisk inspelning.
Det Àr svÄrt att tro, men i grunden har konstruktionen av hÄrddiskar inte förÀndrats pÄ nÀstan 40 Är, sedan 1983: det var dÄ den första 3,5-tums hÄrddisken RO351, utvecklad av det skotska företaget Rodime, sÄg dagens ljus. Denna lilla enhet hade tvÄ magnetiska skivor pÄ 10 MB vardera, vilket innebar att den kunde lagra dubbelt sÄ mycket data som den uppdaterade ST-412 pÄ 5,25 tum, som slÀpptes av Seagate samma Är för IBM 5160-personaldatorer.
Rodime RO351 â den första 3,5-tums hĂ„rddisken i vĂ€rlden
Trots innovationen och den kompakta storleken var RO351 praktiskt taget obehövlig vid lanseringen, och alla senare försök av Rodime att etablera sig pÄ hÄrddiskmarknaden misslyckades, vilket tvingade företaget att avveckla sin verksamhet 1991, sÀlja av nÀstan alla sina tillgÄngar och minska sin personal till ett minimum. Men Rodime skulle inte bli konkursdrabbat: snart vÀnde sig de största hÄrddiskproducenterna till dem för att köpa licens för att anvÀnda den patenterade skotska formfaktorn. Idag Àr 3,5 tum en allmÀnt accepterad standard för produktion av bÄde konsument-HDD och företagsklasslagringsenheter.
Med framvÀxten av neurala nÀtverk, djupinlÀrning och Internet of Things (IoT) har den mÀngd data som mÀnskligheten skapar ökat explosivt. Enligt uppskattningar frÄn analysföretaget IDC kommer mÀngden information som genereras bÄde av mÀnniskor och av de enheter som omger oss att nÄ 175 zettabyte (1 ZB = 10^21 byte) Är 2025, jÀmfört med 45 ZB Är 2019, 16 ZB Är 2016 och endast 0,16 (!) ZB Är 2006, vilket var den totala mÀngden data som producerats genom hela vÄr historia. Moderna teknologier, dÀribland avancerade metoder för dataskrivning, hjÀlper till att hantera denna informationsexplosion.
LMR, PMR, CMR och TDMR: vad Àr skillnaden?
Principen för hur hĂ„rddiskar fungerar Ă€r ganska enkel. Tunna metallplattor, belagda med ett skikt av ferromagnetiskt material (ett kristallint Ă€mne som kan behĂ„lla sinçŁæ§ Ă€ven utan pĂ„verkan av ett yttre magnetfĂ€lt vid temperaturer under Curietemperaturen) rör sig i hög hastighet (5400 varv per minut eller mer) i förhĂ„llande till skrivhuvudblocken. NĂ€r elektrisk ström visas pĂ„ skrivhuvudet uppstĂ„r ett vĂ€xlande magnetfĂ€lt som Ă€ndrar riktningen av magnetiseringsvektorn inom domĂ€ner (diskreta omrĂ„den av material) i ferromagneten. DataavlĂ€sning sker antingen genom elektromagnetisk induktion (rörelsen av domĂ€ner i förhĂ„llande till sensorn orsakar en vĂ€xlande elektrisk ström i sensorn) eller genom den gigantiska magnetoresistiva effekten (det elektriska motstĂ„ndet i sensorn Ă€ndras genom pĂ„verkan av ett magnetfĂ€lt), vilket Ă€r hur moderna lagringsenheter fungerar. Varje domĂ€n kodar en bit information, som antar den logiska vĂ€rdet "0" eller "1" beroende pĂ„ magnetiseringsvektorns riktning.
Under en lĂ€ngre tid anvĂ€nde hĂ„rddiskar metoden för lĂ€ngsgĂ„ende magnetisk inspelning (Longitudinal Magnetic Recording, LMR), dĂ€r riktningen för magnetiseringen av domĂ€nerna lĂ„g i planet av den magnetiska plattan. Trots relativt enkel implementation hade denna teknik en betydande nackdel: för att övervinna koercitiviteten (övergĂ„ngen av magnetiska partiklar till ett enskilt domĂ€nlĂ€ge) var man tvungen att lĂ€mna en omfattande buffertzon mellan spĂ„ren (det sĂ„ kallade guard space). Som ett resultat var den maximala inspelningsdensitet som uppnĂ„ddes i slutet av denna teknik endast 150 Gbit/inchÂČ.
Ă
r 2010 blev LMR praktiskt taget helt ersatt av PMR (Perpendicular Magnetic Recording â perpendikulĂ€r magnetisk inspelning). Den huvudsakliga skillnaden mellan denna teknik och lĂ€ngsgĂ„ende magnetisk inspelning Ă€r att riktningen för magnetismen i varje domĂ€n Ă€r vinkelrĂ€t mot ytan av den magnetiska plattan, vilket avsevĂ€rt minskade avstĂ„ndet mellan spĂ„ren.
Tack vare detta har datainspelningens densitet lyckats öka avsevĂ€rt (upp till 1 Tbit/inchÂČ i moderna enheter) utan att kompromissa med hastighetskarakteristikerna och tillförlitligheten hos hĂ„rddiskarna. För nĂ€rvarande Ă€r perpendikulĂ€r magnetisk inspelning dominerande pĂ„ marknaden, vilket ocksĂ„ innebĂ€r att den ofta kallas CMR (Conventional Magnetic Recording â konventionell magnetisk inspelning). Det Ă€r dock viktigt att förstĂ„ att det inte finns nĂ„got egentligen nĂ„gon skillnad mellan PMR och CMR â det Ă€r helt enkelt ett annat namn.
NĂ€r du studerar de tekniska specifikationerna för moderna hĂ„rddiskar kan du ocksĂ„ stöta pĂ„ den mystiska akronymen TDMR. Specifikt anvĂ€nds denna teknik av företagsklassade lagringsenheter . FrĂ„n fysikens synvinkel skiljer sig TDMR (vad som stĂ„r för Two Dimensional Magnetic Recording â tvĂ„dimensionell magnetisk inspelning) inte pĂ„ nĂ„got sĂ€tt frĂ„n den bekanta PMR: liksom tidigare har vi att göra med icke-överlappande spĂ„r dĂ€r domĂ€nerna Ă€r orienterade vinkelrĂ€tt mot ytan av de magnetiska plattorna. Skillnaden mellan teknologierna ligger i metoden för att lĂ€sa information.
I blocket av magnetiska huvuden i hÄrddiskar, skapade med TDMR-teknik, finns det tvÄ lÀsande sensorer för varje skrivhuvud, som gör det möjligt att lÀsa data frÄn varje spÄr samtidigt. Denna redundans ger hÄrddiskens kontroller möjlighet att effektivt filtrera bort elektromagnetiska störningar, som orsakas av inter-track interference (ITI).
Att lösa problemet med ITI ger tvÄ extremt viktiga fördelar:
- minskad störningskoefficient som möjliggör ökad datatÀthet genom att minska avstÄndet mellan spÄren, vilket resulterar i en ökning av den totala kapaciteten med upp till 10% jÀmfört med vanlig PMR;
- i kombination med RVS-teknik och en tredelad mikroaktuator, gör TDMR det möjligt att effektivt motstÄ rotationsvibrationer orsakade av hÄrddiskens drift, vilket hjÀlper till att upprÀtthÄlla en stabil prestandanivÄ Àven under de mest utmanande driftsförhÄllandena.
Vad Àr SMR och hur fungerar det?
Storleken pÄ skrivhuvudet Àr ungefÀr 1,7 gÄnger större jÀmfört med storleken pÄ lÀssensorn. Denna stora skillnad förklaras ganska enkelt: om skrivmodulen görs Ànnu mer kompakt kommer den magnetiska kraften den kan generera inte att vara tillrÀcklig för att magnetisera domÀnerna i det ferromagnetiska lagret, vilket innebÀr att data helt enkelt inte kommer att sparas. I fallet med lÀssensorn finns det inget sÄdant problem. Dessutom möjliggör dess miniatyrisering ytterligare minskning av pÄverkan frÄn den ovan nÀmnda ITI pÄ lÀsprocessen.
Denna verklighet ligger till grund för Shingled Magnetic Recording (SMR). LÄt oss förstÄ hur det fungerar. Vid anvÀndning av traditionell PMR flyttas skrivhuvudet relativt varje tidigare spÄr en strÀcka som Àr lika med dess bredd + bredden pÄ det skyddande utrymmet (guard space).
Vid anvĂ€ndning av takpanne-metoden för magnetisk lagring flyttar skrivhuvudet sig framĂ„t endast en del av sin bredd, vilket gör att varje föregĂ„ende spĂ„r delvis överskrivs av följande: de magnetiska spĂ„ren överlappar varandra som takpannor. Denna metod möjliggör en ökad lagringsdensitet, vilket ger en kapacitetsökning pĂ„ upp till 10%, utan att det pĂ„verkar lĂ€sningsprocessen. Ett exempel kan vara â de första 3.5-tums lagringsenheterna i vĂ€rlden med en kapacitet pĂ„ 20 TB med SATA/SAS-grĂ€nssnitt, vars framvĂ€xt blev möjlig genom den nya magnetiska lagringsteknologin. ĂvergĂ„ngen till SMR-skivor möjliggör dĂ€rför en ökning av datalagringstĂ€theten i samma hyllor med minimala kostnader för att uppgradera IT-infrastrukturen.
Trots en sÄ betydande fördel har SMR ocksÄ en uppenbar nackdel. Eftersom de magnetiska spÄren överlappar varandra krÀvs det vid uppdatering av data att man skriver om inte bara den aktuella delen utan ocksÄ alla efterföljande spÄr inom den magnetiska skivan, vars kapacitet kan överstiga 2 terabyte, vilket kan leda till en allvarlig nedgÄng i prestanda.
Att lösa detta problem hjĂ€lper till att kombinera ett visst antal spĂ„r i avgrĂ€nsade grupper som kallas zoner. Ăven om denna metod för att organisera datalagring nĂ„got minskar den totala kapaciteten för HDD (eftersom det mĂ„ste finnas tillrĂ€ckliga mellanrum mellan zonerna för att förhindra överskrivning av spĂ„r frĂ„n angrĂ€nsande grupper), möjliggör det en betydande ökning av hastigheten i datauppdateringsprocessen, eftersom endast ett begrĂ€nsat antal spĂ„r nu Ă€r involverade.
Takpanne-magnetisk lagring förutsÀtter flera implementeringsalternativ:
- Drive Managed SMR (SMR, diskhanterad)
Dess största fördel Àr att det inte krÀvs nÄgra modifieringar av vÀrdprogramvaran och/eller hÄrdvaran, eftersom HDD-kontrollern tar ansvar för att hantera processen för dataskrivning. Dessa skivor kan anslutas till vilket system som helst som har det nödvÀndiga grÀnssnittet (SATA eller SAS), varefter enheten omedelbart Àr redo för anvÀndning.
Nackdelen med denna metod Àr den varierande prestandanivÄn, vilket gör att Drive Managed SMR inte Àr lÀmplig för företagsapplikationer dÀr konstant systemprestanda Àr en kritisk parameter. DÀremot presterar dessa diskar vÀl i scenarier dÀr det finns tillrÀcklig tid för att utföra bakgrundsdefragmentering av data. Till exempel DMSMR-enheter. , optimerade för anvÀndning i smÄ NAS med 8 fack, kommer att vara ett utmÀrkt val för ett arkiverings- eller backup-system som förutsÀtter lÄngsiktig lagring av sÀkerhetskopior.
- Host Managed SMR (SMR, vÀrdhanterad)
Host Managed SMR Àr det mest föredragna alternativet för implementation av zoninspelning inom företagsmiljöer. I detta fall ansvarar sjÀlva vÀrdsystemet för hanteringen av datastreamingar och lÀs-/skrivoperationer, och anvÀnder ATA-interfaceutvidgningar (Zoned Device ATA Command Set, ZAC) och SCSI (Zoned Block Commands, ZBC), utvecklade av kommittéerna INCITS T10 och T13.
Vid anvÀndning av HMSMR delas all tillgÀnglig lagringskapacitet in i tvÄ typer av zoner: Conventional Zones (konventionella zoner), som anvÀnds för lagring av metadata och slumpmÀssig skrivning (de fungerar i grunden som cache), och Sequential Write Required Zones (zoner för sekventiell skrivning), som utgör en stor del av den totala kapaciteten pÄ hÄrddisken, dÀr data skrivs strikt sekventiellt. Oordnade data lagras i cacheomrÄdet, dÀrifrÄn de sedan kan flyttas till den motsvarande zonen för sekventiell skrivning. Detta gör att alla fysiska sektorer skrivs sekventiellt i radialriktning och skrivs om endast efter cyklisk förflyttning, vilket möjliggör stabil och förutsÀgbar systemprestanda. HMSMR-diskar stödjer Àven slumpmÀssiga lÀskommandon likt enheter som anvÀnder standard PMR.
Host Managed SMR implementeras i enterprise-hÄrddiskar .
Serien inkluderar SATA- och SAS-enheter med hög kapacitet, inriktade pÄ anvÀndning inom hyperskaliga datacenter. Stödet för Host Managed SMR utökar vÀsentligt anvÀndningsomrÄdena för sÄdana hÄrddiskar: förutom backup-system Àr de idealiska för molnlagring, CDN eller streamingplattformar. Den höga kapaciteten pÄ hÄrddiskarna möjliggör en avsevÀrt högre lagringsdensitet (i samma racks) med minimala uppgraderingskostnader, och den lÄga energiförbrukningen (inte mer Àn 0,29 Watt per terabyte lagrad information) och vÀrmeutvecklingen (i genomsnitt 5 °C lÀgre Àn hos motsvarande) bidrar ytterligare till att minska driftkostnaderna för datacentret.
Den enda nackdelen med HMSMR Àr den relativa komplexiteten i implementeringen. Problemet Àr att ingen operativsystem eller applikationer idag kan arbeta med sÄdana lagringsenheter "ur lÄdan", vilket gör att omfattande förÀndringar i programvarustacken krÀvs för att anpassa IT-infrastrukturen. Detta gÀller sÀrskilt operativsystemet, vilket i dagens datacenter, som anvÀnder flerkÀrniga och fler sockets-servrar, Àr en ganska komplicerad uppgift. För att lÀra dig mer om alternativ för att stödja Host Managed SMR kan du besöka en specialiserad resurs , som Àr dedikerad till frÄgor kring zonlagring av data. Informationen som samlas hÀr hjÀlper till att preliminÀrt bedöma beredskapen hos din IT-infrastruktur för att övergÄ till zonerade lagringssystem.
- Host Aware SMR (HMSR)
Enheter med stöd för Host Aware SMR kombinerar bekvÀmligheten och flexibiliteten hos Drive Managed SMR med den höga skrivhastigheten hos Host Managed SMR. Dessa lagringsenheter Àr bakÄtkompatibla med Àldre lagringssystem och kan fungera utan direkt kontroll frÄn vÀrden, men i sÄ fall, precis som med DMSMR-diskar, blir deras prestanda oförutsÀgbar.
Precis som Host Managed SMR anvÀnder Host Aware SMR tvÄ typer av zoner: Conventional Zones för godtycklig skrivning och Sequential Write Preferred Zones (zoner som föredrar sekventiell skrivning). De senare, till skillnad frÄn de ovan nÀmnda Sequential Write Required Zones, omvandlas automatiskt till vanliga zoner om de börjar ta emot oordnad dataskrivning.
Implementeringen av SMR med vÀrdestöd innehÄller interna mekanismer för ÄterstÀllning frÄn oordnad skrivning. Oordnade data skrivs in i cacheomrÄden, frÄn vilka disken kan överföra information till sekventiella skrivzoner, efter att alla nödvÀndiga block har mottagits. För att hantera oordnad skrivning och bakgrundsdefragmentering anvÀnder disken en indirekt adresseringstabell. Men om företagsapplikationer krÀver förutsÀgbar och optimerad prestanda kan detta fortfarande uppnÄs endast om vÀrden tar pÄ sig fullstÀndig kontroll över alla datastreamar och skrivzoner.
KĂ€lla: habr.com
